JP2015096743A - 真空断熱パネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性を有する芯材とその周囲を覆う二枚の外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板周縁部がシーム溶接法で封止された耐久性に優れた真空断熱パネルを製造する際、真空中でのシーム溶接箇所・溶接長さを減らし溶接不良を回避して溶接接合する。
【解決手段】二枚の外包金属板の周縁部のうちの一辺を除く他辺を大気中で互いに交差するように溶接し、その後真空中で残された一辺の開口部をシーム溶接により最終封止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば冷蔵庫や保冷庫、或いは保温庫や住宅等の断熱壁等に好適に用いられる真空断熱パネルの製造方法に関するものである。

昨今、電力不足などの影響によりあらゆる産業で省エネ製品や省エネ技術の開発が進められている。真空断熱パネルも省エネ対策の１つとして開発された商品であり、現在では冷蔵庫や自動販売機などの断熱材として、断熱性能を高めて消費電力を抑えるために広く採用されている。
また、住宅用の断熱材としての適用検討も進められているが、現行の真空断熱パネルは、例えば図１の左図に示すように、グラスウール等の芯材をアルミラミネートフィルムでヒートシールした構造のものが一般的である。

アルミラミネートフィルムでヒートシールした構造の真空断熱パネルでは、ヒートシール部から水分が透過して真空度が低下するため、活性炭やゼオライト等の吸着剤を封入しているが、それでも７〜８年で断熱性能が半減するといった問題がある。
このため、長期に亘って断熱性を維持できる真空断熱パネルの開発が望まれている。
そこで、例えば図１の右図に示すように、グラスウール等の芯材をステンレス鋼などの薄金属板で包み、真空引きした後、端部を溶接接合して真空断熱パネルを製造することが各種試みられている。そして、真空引き方法として各種方法が提案されている。

特許文献１では、芯材を包む金属外包材の一方に空気を案内して排出するための溝と溝に接続された排気口を設けて真空引き行う方法が提案されている。この方法では、予め真空引きを行う前にシーム溶接やプラズマ溶接などで溝および排気口周辺の予備封止を行い、予備封止後に溝部を通して排気口より真空引きを行い、真空引き完了後、溝部周辺をプレスなどにより平らにした後に先と同じ溶接方法により平らになった溝部上を溶接し完全封止して、封止完了後、余分な材料をカットして真空断熱パネルを製造している。

また特許文献２では、外周部が溶接接合された上下包材によって形成される略平板状の空間内に厚肉領域と薄肉領域を兼ね備えたスペーサー（断熱材）を挿入し、真空引き時は厚肉領域と薄肉領域で発生する段差を利用して上下包材の内面が接触することを防止するとともに、排気通路を確保しながら排気口より真空引きを行った後、排気口を封止し、排気口手前を溶接接合し、その後に溶接箇所の外側をカットして真空断熱パネルを製造している。

特開２００９‐２２８８０３号公報 特開２００１‐３１１４９７号公報

先述した特許文献はいずれも真空チャンバーを必要とせず、大気中で直接真空ポンプにより真空引きを行いシーム溶接などで真空断熱パネルを製造する方法であるが、これらの方法では約１０Ｐａ以下の高真空の真空断熱パネルを製造することは難しい。真空断熱パネルは内部真空度が高いほど断熱性能が向上することは一般的に知られており、断熱性能の優れた真空断熱パネルを製造するためには内部真空度が重要となってくる。しかしながら、先述した方法では封止の際に真空断熱パネルの内部に大気が侵入し内部真空度が悪化する可能性がある。
また、溶接封止部に欠陥がありリークした場合、真空ポンプが大気を直接吸引する可能性があるため、ターボポンプのような高真空領域から使用する高性能な真空ポンプは破損の危険性があり使えない。このため、直接大気圧から吸引可能で到達真空度もそれほど高くない真空ポンプが採用されるケースが多く、真空度の高い真空断熱パネルを製造することは難しい。

こうした理由などもあり、大気中で真空断熱パネルを製造するのではなく、封止工程を真空チャンバー内で行う方法により真空断熱パネルを製造する方法も検討されている。
真空中で封止することにより、大気の侵入による内部真空度悪化の心配がなく、たとえ溶接封止部がリークを起こした場合でも周囲が高真空領域であるため大気を直接吸引する可能性がなく、高性能な真空ポンプを使用できる利点が挙げられる。このため、高性能な真空ポンプを使って真空断熱パネル内部を高真空に排気した上で封止することにより、大気中で製造した真空断熱パネルよりも高真空・高性能な真空断熱パネルが得られることになる。

しかしながら、問題点もある。気密性が必要とされる燃料タンクや容器などの溶接にはシーム溶接が広く採用されているが、このシーム溶接を使って真空チャンバー内で真空断熱パネルを製造する場合、所定の真空度まで真空引きをした後に真空断熱パネルの周縁部全てをシーム溶接により封止する事になる。しかし、真空中でシーム溶接を行うと、溶接により発生した熱が電極に蓄積され、電極が損耗し溶接不良が発生しやすくなるといった欠点がある。この現象は溶接する距離や時間が長いほど発生しやすく、真空中でシーム溶接によりパネルの周縁部全てを溶接不良なく安定して溶接することは難しい。また、真空チャンバー内でシーム溶接により真空断熱パネルを製造する場合、真空チャンバー内にシーム溶接機だけでなく、パネルを固定するための治具やテーブル、更にはパネル形状に沿ってシーム溶接ヘッド若しくは固定テーブルが移動するための移動装置も別途必要となる。このため、設備構成が複雑となり真空チャンバーが大型になりやすくコスト高となる。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、ガラス繊維やロックウール等の無機繊維や、合成繊維や天然繊維等の有機繊維等からなる断熱性に優れた芯材と、その周囲を覆うガス不透過性に優れた外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板周縁部で溶接封止された、高性能で耐久性に優れた真空断熱パネルを真空チャンバー内でシーム溶接により最終封止を行いて製造する際、大がかりな真空チャンバーを用いることなく、溶接不良を回避して安定して真空断熱パネルを製造できる方法を提供することを目的とする。

本発明の真空断熱パネルの製造方法は、その目的を達成するため、断熱性を有する芯材と、その周囲を覆う二枚の外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記二枚の外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板の周縁部がシーム溶接法で最終封止された多角形の真空断熱パネルを製造する方法であって、少なくとも片方の外包金属板の中央に多角形の膨出部が設けられている二枚の外包金属板を重ね合わせ、重ね合わされた二枚の外包金属板の周縁部のうちの一辺を除く他辺を大気中で溶接線が互いに交差するように溶接して開口部を形成し、続いて、真空チャンバー内で、残された一辺の前記開口部より外包金属板の内部を真空排気した後、前記開口部をシーム溶接により最終封止することを特徴とする。
外包金属板としては、ステンレス鋼板を用いることが好ましい。

本発明では、二枚の外包金属板のうち、少なくとも片方の外包金属板中央に多角形の膨出部が設けられた二枚の外包金属板を重ね合わせ、重ね合わされた二枚の外包金属板の周縁部のうちの一辺を除く他辺を大気中で溶接線が互いに交差するように溶接して開口部を形成し、続いて、真空チャンバー内で、残された一辺の前記開口部よりパネル内部を真空引きした後、前記開口部をシーム溶接により最終封止している。

このため、真空チャンバー内で溶接する箇所は最終封止する開口部の一辺のみとなり、真空チャンバー内で全辺をシーム溶接する場合と比較して設備が簡素化でき溶接する距離も短くする事ができる。このため、先述したような電極の温度上昇に伴い発生する溶接不良を回避することが可能となり、高性能で耐久性に優れた真空断熱パネルを安定して提供することが可能となる。

真空断熱パネルの構造を説明する概略図 本発明の真空断熱パネルの製造方法を説明する概略図 実施例に記載した真空断熱パネルの作製に使用した装置の概略構造を示す図 実施例で六角形の形をした真空断熱パネルの溶接方法を説明する図

前記した通り、真空チャンバー内で金属板のすべての周縁部をシーム溶接により封止して真空断熱パネルを製造する場合、シーム溶接機だけでなくパネルを固定するためのテーブルや移動装置などの周辺設備も同時に真空チャンバー内に設置し機能させる必要がある。このため、真空チャンバーは大型になりやすくシステムも複雑となり設備投資が大きくなる。また、真空中でシーム溶接を行うと溶接により発生した熱が電極に蓄積され、電極が損耗し溶接不良が発生しやすくなるといった欠点もある。この現象は溶接する箇所が多いほど、また溶接長さが長いほど発生しやすく製品サイズが拡大すれば増長される。このため、真空チャンバー内でシーム溶接を使って真空断熱パネルを製造する場合は、溶接箇所をできるだけ少なくし、溶接長さも短く抑える必要がある。

そこで、本発明者らは、真空チャンバー内で封止する溶接箇所を極力減らし設備も簡素化でき溶接不良のない真空断熱パネルを安定して製造できる方法について検討を重ね、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。
少なくとも片方に芯材を収納する多角形の膨出部を有する上下二枚の外包金属板と、この外包金属板の前記膨出部に収納する、ガラス繊維やロックウール等の無機繊維や、合成繊維や天然繊維等の有機繊維等からなる芯材を準備する。用いる金属板としては、アルミニウム合金板等でも良いが、耐変形性や長期に亘っての外観維持の観点から、強度及び耐食性に優れたステンレス鋼板を用いることが好ましい。外包金属板膨出部の形状は五角形や六角形などの形状でもよいが、加工面・溶接面の観点から一般的な矩形が好ましい。

真空断熱パネルを製造する工程は、先述したとおり、大気中で溶接を行う第一工程と、真空チャンバー内で最終封止する第二工程からなる。
例えば矩形の真空断熱パネルを製造する場合、第一工程では図２（ａ）に示したように、重ね合わせた２枚の外包金属板周縁部のうち三辺を大気中でシーム溶接する。溶接を行わなかった一辺は、次の第二工程で用いる開口部となる。また、第一工程では、三辺の溶接線は互いに交差するように溶接を行う。第一工程の溶接はシーム溶接に限定されず、レーザー溶接やプラズマ溶接などを使用しても構わない。
続く第二工程では、前記開口部を利用して真空チャンバー内で真空断熱パネル内部の真空排気を行う。真空排気が終わった後、図２（ｂ）に示したように前記開口部をシーム溶接で最終封止する。全ての溶接線は交差する状態で接合されているため、溶接線の重ねミスは確実に回避でき、重ねミスに起因する封止ミスのない気密性の高い真空断熱パネルを製造することが可能になる。
また第二工程での真空チャンバー内でのシーム溶接箇所を少なくすることができるので、先述したような溶接不良も回避でき生産性を高めることができる。
（実施例１）

真空断熱パネルは芯材と芯材を覆う上下包材から構成されている。芯材を覆う上下包材には寸法が２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×板厚０．１mmのＳＵＳ３０４の鋼板を用いた。一方の包材には、芯材収容用として１９０ｍｍ×１９０ｍｍ×５．０ｍｍの膨出部を張り出し成形により作製した。そして、この膨出部にグラスウール製芯材（寸法：１８０ｍｍ×１８０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ）を収容して上下の包材を重ね合わせた。

上下包材の外周部へ荷重を掛けて密着させた状態で、先ず、第一工程として大気中で外包金属板周縁部のうち三辺を互いに溶接線が交差するようにシーム溶接した。残った一辺の周縁部が開口部となる。
続く第二工程では、図３に示した真空チャンバー内にシーム溶接機を内蔵した装置を用いて最終封止を行った。先ず、真空チャンバー内で前記開口部を経由して外包金属板の内部を1Pa以下の高真空まで排気し、その後前記開口部をシーム溶接により最終封止した。最後に、周縁部の余分な部分を切除し、ステンレス鋼板を包材とした四角形の真空断熱パネルを作製した。
（実施例２）

芯材を覆う上下包材には寸法が５００ｍｍ×５００ｍｍ×板厚０．１５ｍｍのＳＵＳ３０４の鋼板を用いた。一方の包材に４７０ｍｍ×４７０ｍｍ×厚さ２０．０ｍｍの膨出部を絞り成形により作製した。そして、膨出部にグラスウール製芯材（寸法：４６０ｍｍ×４６０ｍｍ×厚さ２０．０ｍｍ）を収容して上下包材を重ね合わせた。
上下包材の外周部へ荷重を掛けて密着させた状態で、先ず、第一工程として大気中で三辺の外包金属板周縁部を溶接ラインが互いに交差するようにレーザー溶接する。この際、残った一辺の未溶接箇所が開口部となる。
続く第二工程では図３に示した真空チャンバー内にシーム溶接機を内蔵した装置を用いて最終封止を行った。先ず、真空チャンバー内で前記開口部を経由してパネル内部を１Ｐａ以下の高真空にし、その後前記開口部をシーム溶接により最終封止した。そして、余分な部分を切除し、ステンレス鋼板を包材とした四角形の真空断熱パネルを作製した。
（実施例３）

芯材を覆う上下包材には寸法が５００ｍｍ×５００ｍｍ×板厚０．１５ｍｍのＳＵＳ３０４の鋼板を用いた。一方の包材には芯材を収納するために、一辺の長さが１５０ｍｍで高さが２０ｍｍとなる六角形の形状をした膨出部を絞り成形により作製した。そして、包材の膨出部形状に合わせて一辺の長さが１４０ｍｍで厚さが２０ｍｍとなる六角形の形状をしたグラスウール製芯材を収容して上下包材を重ね合わせた。上下包材を加圧保持した状態で、図４（ａ）に示したように先ず、第一工程として大気中で五辺の外包金属板周縁部を溶接ラインが互いに交差するようにシーム溶接する。この際、残った一辺の未溶接箇所が開口部となる。
続く第二工程では図３に示した真空チャンバー内にシーム溶接機を内蔵した装置を用いて最終封止を行った。先ず、真空チャンバー内で前記開口部を経由してパネル内部を１Ｐａ以下の高真空にし、その後前記開口部を図４（ｂ）に示したようにシーム溶接により最終封止した。そして、余分な部分を切除し、ステンレス鋼板を包材とした六角形の真空断熱パネルを作製した。

Claims (2)

1. 断熱性を有する芯材と、その周囲を覆う二枚の外包金属板からなり、
   前記芯材を内包する前記二枚の外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板の周縁部がシーム溶接法で最終封止された多角形の真空断熱パネルを製造する方法であって、
   少なくとも片方の外包金属板の中央に多角形の膨出部が設けられている二枚の外包金属板を重ね合わせ、重ね合わされた二枚の外包金属板の周縁部のうちの一辺を除く他辺を大気中で溶接線が互いに交差するように溶接して開口部を形成し、
   続いて、真空チャンバー内で、残された一辺の前記開口部より外包金属板の内部を真空排気した後、前記開口部をシーム溶接により最終封止することを特徴とする真空断熱パネルの製造方法。
2. 外包金属板がステンレス鋼板である請求項１に記載の真空断熱パネルの製造方法。
   

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